技术摘要：
本发明提供一种基于电化学变量监测的电池内部故障诊断方法及装置，方法包括：建立电池内部故障的电池电化学机理模型，并进行模型参数辨识；对电池电化学机理模型进行简化降阶后获得描述电池内部各个电化学变量的降阶模型；对目标电池或电池组施加直流激励或交流激励，  全部
背景技术：
近年来，锂离子电池技术得到空前发展，这也加速了储能、能源互联网、交通电气 化等领域的发展。从时常发生的手机、笔记本电脑、电动汽车、储能电站着火等事故中可以 说明目前锂离子电池在安全性方面还存在一定不足。由于电池是密封的，一般只能测得电 池的电压、电流和温度，而电池内部发生轻微故障后有时演化后一定程度后才会使得外特 征出现明显变化。虽然目前主流电池管理系统会利用电池外特性变化进行基于模型的荷电 状态、功率状态、健康状态估计和故障诊断，但这些方法一般无法及时发现一些隐匿性比较 强的电池内部故障，比如电池内部微短路、析锂、产气、电解液溶解等。而这些故障往往会不 断演化为较为严重的电池安全问题，比如电池内部微短路会逐渐或突变为强烈内短路，进 而导致电池失效或起火；析锂会降低电池热稳定性，锂金属的不断沉积还容易导致电池容 量出现“跳水式”下降。 现有技术中，专利号为201811441438.8的《基于交流阻抗法的锂离子电池失效分 析方法》通过监测电池SEI膜电阻的变化，以在不同次充放电循环后SEI膜电阻减小又增大 为特征，预测电池即将会发生的内短路。虽然该方法可以在实验室诱发电池内短路实验过 程中预测即将发生的内短路，但在实际生活的电池使用场景中，如果使用该方法预测内短 路，需要对被测电池在生产出来以后就进行持续不间断检测才能避免不错过SEI膜减小又 增大的特征，不易实现。同理如果采用这种方法检测已经发生内短路的电池，由于已经错过 SEI膜减小又增大的特征期，该方法也就不能再预测出内短路。 因此，为了能够及时发现这些隐匿性比较强的电池内部故障，需要设计一种装置 及其方法来解决上述问题。
技术实现要素：
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于电化学变量监测的 电池内部故障诊断方法及装置。 本发明提供了一种基于电化学变量监测的电池内部故障诊断方法中，具有这样的 特征，包括如下步骤：步骤1，建立电池内部故障的电池电化学机理模型，并进行模型参数辨 识；步骤2，对电池电化学机理模型进行简化降阶后获得描述电池内部各个电化学变量的降 阶模型；步骤3，对目标电池或电池组施加直流激励或交流激励，根据不同的电流激励类型 的电化学变量进行故障识别，从而得知目标电池或电池组是否存在内部故障，其中，当步骤 3中施加的电流激励为直流激励时，步骤3包括如下子步骤：步骤3-1，对目标电池或电池组 施加直流激励；步骤3-2，测量目标电池或电池组的响应电压、电流和温度后，利用电池电化 学机理模型或降阶模型和状态观测器对目标电池或电池组内部不同位置处的各个电化学 4 CN 111596212 A 说　明　书 2/7 页 变量进行开环或闭环估计；步骤3-3，根据目标电池或电池组不同位置处一个或多个电化学 变量在时域上异常变化的有无来判定目标电池或电池组是否存在相应内部故障，当步骤3 中施加的电流激励为交流激励时，步骤3包括如下子步骤：步骤3-a，在目标电池或电池组的 平衡状态下，对目标电池或电池组施加小振幅交流激励，步骤3-b，测量1个或多个交流激励 周期的电池响应电压、电流和温度后，利用电池电化学机理模型或降阶模型和状态观测器 对目标电池或电池组内部不同位置处的各个电化学变量进行开环或闭环估计；步骤3-c，利 用估计出的各个电化学变量的变化，计算目标电池或电池组不同位置处各个电化学变量的 交流阻抗，通过该交流阻抗的异常变化的有无来判定目标电池或电池组是否存在相应内部 故障。 在本发明提供的基于电化学变量监测的电池内部故障诊断方法，还具有这样的特 征：步骤1中的电池内部故障包括微短路、金属锂沉积、SEI膜增厚、析锂、容量跳水、产气、电 解液分解以及自放电。 在本发明提供的基于电化学变量监测的电池内部故障诊断方法，还具有这样的特 征：步骤2中的电化学变量包括固相浓度、液相浓度、固相电势、液相电势以及锂通量。 在本发明提供的基于电化学变量监测的电池内部故障诊断方法，还具有这样的特 征：步骤3-1中的直流激励包括脉冲、动态电流、恒流、静置。 在本发明提供的基于电化学变量监测的电池内部故障诊断方法，还具有这样的特 征：步骤3-c中的电化学变量的交流阻抗计算方法包括如下子步骤：步骤3-c-1，若步骤3-a 中的交流激励的电流为iapp(t)，则分别计算步骤3-b估计出的各个电化学变量的时域变化 与sin(ωt)和cos(ωt)的积分；步骤3-c-2，计算各个电化学变量的幅值响应|G|和相位响 应arg  G；步骤3-c-3，计算各和电化学变量的幅值响应的分贝值|G|dB和相位响应的角度值 arg  Gdeg；步骤3-c-4，计算各个电化学变量的阻抗Z。 在本发明提供的基于电化学变量监测的电池内部故障诊断方法，还具有这样的特 征：步骤3-c-1中的交流激励的电流iapp(t)的公式如下： iapp(t)＝αcos(ωt)   (1)， 步骤3-c-1中的各个电化学变量时域变化与sin(ωt)和cos(ωt)的积分， 步骤3-c-2中的幅值响应|G|的公式如下： 步骤3-c-2中的相位响应arg  G的公式如下： arg  G＝-arctan(RAMsin/RAMcos)   (5)， 步骤3-c-3中的幅值响应的分贝值|G|dB的公式如下： |G|dB＝20log10|G|   (6)， 步骤3-c-3中的相位响应的角度值arg  Gdeg的公式如下： 5 CN 111596212 A 说　明　书 3/7 页 步骤3-c-4中的阻抗Z的公式如下： Z＝|G|·ei·arg  G   (8)， 式(1)中，α代表余弦电流的振幅，ω代表余弦电流的角频率，ω＝2πf＝2π/T，f为 频率，T为周期，式(2)和式(3)中，T是所给余弦电流的周期，T＝1/f＝2π/ω，ECV表示电化学 变量，为目标电池或电池组某一位置的固相电势、液相电势、固相浓度、液相浓度和锂通量 中的一个。 在本发明提供的基于电化学变量监测的电池内部故障诊断方法，还具有这样的特 征：步骤4中的状态观测器进行PID控制、扩展卡尔曼滤波、模型预测控制。 本发明还提供了一种运行上述的基于电化学变量监测的电池内部故障诊断方法 的电池内部故障诊断装置，具有这样的特征，包括：电流激励模块，用于对目标电池或电池 组施加直流激励或交流扰动激励；监测模块，与电流激励模块电连接，用于测量目标电池或 电池组内各单体的电压及其变化的电压监测单元、用于测量目标电池或电池组的总电流的 电流监测单元以及用于测量目标电池或电池组的温度的温度监测单元；控制模块，包括用 于设定激励电流的电流设定单元、用于计算目标电池或电池组内各单体的交流阻抗的交流 阻抗计算单元、用于执行故障诊断算法的故障诊断单元、输出诊断结果的输出单元、用于存 储目标电池或电池组在不同状态下的状态信息的存储单元、用于协调各模块的通讯及工作 的协调单元；以及显示模块，用于人机交互，并用于显示诊断结果，其中，控制模块与电流激 励模块、监测模块以及显示模块之间通信连接。 发明的作用与效果 根据本发明所涉及的基于电化学变量监测的电池内部故障诊断方法及装置，一方 面，根据电池内部不同位置处各电化学变量在时域上的异常变化及其规律进行故障识别， 另一方面，利用特定计算方法得到电池在交流激励下内部不同位置各电化学变量的交流阻 抗，并根据其异常变化及其规律进行故障识别。 此外，本实施例的装置及方法可以提早发现还未能够引起电池外特性，如电压、温 度等明显变化和隐匿性较强的电池内部故障，如电池内部微短路、析锂，可以提高电池和电 池组的安全性。 进一步地，本实施例的装置及方法可以为评估电池性能提供一种方法，比如在电 池梯次利用前的健康筛选过程中，预测电池发生“容量跳水”现象的可能性等，且在诊断过 程中，无需对电池进行拆解破坏，即无损检测。 进一步地，本实施例的装置及方法适用范围广，可覆盖电池全生命周期，可用于电 池厂出厂测试，电动汽车车载故障检测，汽车4S店、维修点等定期维护，退役电池梯次利用 前的筛选等环节。 综上，本实施例的基于电化学变量监测的电池内部故障诊断装置及方法有助于提 早发现还未能够引起电池外特性明显变化和隐匿性较强的电池内部故障，提高电池和电池 组的安全性。 6 CN 111596212 A 说　明　书 4/7 页 附图说明 图1是本发明的实施例中实施例中基于电化学变量监测的电池内部故障诊断方法 流程图； 图2是本发明的实施例中基于电化学变量监测的电池内部故障诊断装置的框架示 意图。